Алюминий 2618: состав, свойства, руководство по состоянию упрочнения и области применения

Общий обзор

Сплав 2618 относится к серии алюминиевых сплавов 2xxx, которые в основном основаны на алюминиево-медном составе. Класс 2xxx обозначает термически упрочняемую группу алюминиевых сплавов с высоким уровнем прочности, в которой медь является основным упрочняющим элементом, дополненным магнием и незначительными добавками других элементов, таких как железо, никель и хром.

Основными легирующими элементами сплава являются медь и магний, с целенаправленным микро легированием никелем, железом, марганцем и следами титана/хрома. Упрочнение достигается в основном за счёт растворного отжига с последующим закаливанием и искусственным старением, в результате чего образуются тонкодисперсные осадки Al2Cu (θ′) и родственные фазы; добавки никеля изменяют стабильность осадков для улучшения свойств при повышенных температурах.

Ключевые характеристики 2618 включают высокую прочность при статической нагрузке и при повышенных температурах, умеренную пластичность и относительно низкую коррозионную стойкость по сравнению с семействами 5xxx/6xxx. Свариваемость ограничена и требует специальных технологий; пластичность при холодной обработке умеренная в отожженном состоянии и снижается после упрочнения старением. Типичные области применения 2618 — аэрокосмическая отрасль, высокопроизводительный автомобильный сектор (особенно компоненты двигателей) и другие применения, требующие высокой прочности при повышенной температуре или повышенной усталостной стойкости.

Инженеры выбирают 2618, когда сочетание высокой прочности, сохранения свойств при повышенной температуре и усталостной производительности перевешивает относительно пониженную коррозионную стойкость и более сложную свариваемость сплава. Сплав часто предпочитают более низкопрочным маркам алюминия, когда конструктивными требованиями являются снижение массы детали, стабильность размеров при температуре и работоспособность под циклическими нагрузками.

Варианты состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое, легко формуется и обрабатывается
H12	Низко-средний	Средне-низкое	Удовлетворительная	Удовлетворительная	Упрочнение деформацией с ограниченным повышением прочности
H14	Средний	Низко-среднее	Ограниченная	Удовлетворительная	Лёгкое упрочнение при деформации для умеренной прочности
T4	Средне-высокий	Среднее	Удовлетворительная	Плохая	Растворное отжиг и естественное старение
T6	Высокий	Низко-среднее	Плохая	Плохая	Растворное упрочнение и искусственное старение для максимальной прочности
T61 / T651	Высокий	Низко-среднее	Плохая	Плохая	Стабилизированные состояния с контролем остаточных напряжений и старения
T62 / T64	Высокий	Низко-среднее	Плохая	Плохая	Альтернативные режимы старения для адаптированных параметров ползучести и прочности

Состояние сплава оказывает основное влияние на баланс прочности и пластичности: отожжённый (O) материал обеспечивает максимальную обрабатываемость и формуемость, но низкую прочность, тогда как состояния типа T6/T61 максимизируют прочность за счёт снижения удлинения и способности к холодной деформации. Стабилизированные состояния T61/T651 снижают остаточные напряжения и деформации в обрабатываемых заготовках, что важно для авиационных поковок и крупных сечений, где критична размерная стабильность.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	0.10–0.50	Контролируемое низкое содержание кремния для ограничения дефектов отливки; незначительно влияет на прочность
Fe	0.20–1.20	Примесный элемент; при повышенных концентрациях образует интерметаллиды, снижающие пластичность
Mn	0.30–1.30	Повышает прочность за счёт дисперсных фаз и улучшает структуру зерен
Mg	1.00–1.70	Взаимодействует с Cu для образования упрочняющих осадков и повышения прочности
Cu	2.30–3.30	Основной элемент упрочнения, формирует осадки Al2Cu в процессе старения
Zn	≤0.25	Низкое содержание цинка; не является основным легирующим элементом для 2618
Cr	0.05–0.35	Микролегирование для контроля зеренной структуры и подавления рекристаллизации
Ti	0.05–0.30	Рефинер зерна, применяемый при литье и кристаллизации
Другие	Остальное — Al; следы Ni ~0.60–1.30	Добавки никеля (обычно 0,6–1,3%) встречаются в вариантах 2618 для улучшения прочности при высоких температурах; прочие примеси варьируются

Химический состав сплава настроен для обеспечения старения за счёт образования преципитатов Al–Cu, при этом магний ускоряет кинетику осадкообразования и изменяет химический состав осадков. Никель и хром выступают как микро легирующие добавки, стабилизирующие дисперсные фазы и продлевающие сохранение прочности при повышенных температурах, тогда как марганец и титан способствуют контролю структуры зерна и морфологии интерметаллидов, улучшая вязкость и усталостную долговечность.

Механические свойства

В эксплуатации 2618 демонстрирует высокую прочность при разрыве и разумный предел текучести при термической обработке по типу T6/T61, с отношением временного сопротивления к пределу текучести обычно в диапазоне 1.2–1.4. Относительное удлинение ниже в пиковых состояниях старения, часто составляет единичные или низкодвузначные проценты, что влияет на методы формовки и сварки. Усталостная прочность является сильной стороной 2618 по сравнению со многими другими алюминиевыми сплавами, особенно при контроле микроструктуры и качества поверхности.

Твёрдость тесно связана с состоянием термообработки; отожжённый материал мягкий и хорошо обрабатывается, тогда как пиковые старения обеспечивают значительно более высокие значения твёрдости по Бринеллю/Виккерсу, что соответствует формированию тонкодисперсных осадков. Толщина и размер сечения влияют на достигаемые свойства из-за скорости охлаждения при закалке и последующем старении; толстостенные детали могут иметь более низкую максимальную прочность и более длительные сроки старения для достижения целевых свойств.

Коррозионные и внешние факторы взаимодействуют с механическими характеристиками: концентрация напряжений и дефекты поверхности могут снижать усталостную долговечность и ускорять инициирование трещин в хлорсодержащих средах. Для надёжного использования преимуществ 2618 часто требуются соответствующая обработка поверхности, покрытия и проектирование с учётом коррозионного запаса.

Свойство	O/Отожженное	Основное состояние (например, T6/T61)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~180–260 MPa	~420–480 MPa	Значения пикового старения зависят от режима старения и толщины сечения
Предел текучести	~100–150 MPa	~320–380 MPa	Предел текучести варьируется в зависимости от состояния и предшествующей деформации
Относительное удлинение	~20–30%	~6–12%	Удлинение значительно снижается после упрочнения старением
Твёрдость	~50–80 HB	~120–150 HB	Твёрдость коррелирует с плотностью и распределением осадков

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.78 г/см³	Чуть выше, чем у чистого алюминия, за счёт содержания меди и других легирующих элементов
Диапазон плавления	~500–635 °C	Диапазон солидуса–ликвидуса зависит от местного химического состава и интерметаллидов
Теплопроводность	~120–140 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия; медь снижает теплопроводность по сравнению с серией 1xxx
Электропроводность	~20–40 %IACS	Снижена из-за легирования; значения зависят от состояния и обработки
Удельная теплоёмкость	~880 Дж/кг·К	Типичное значение для алюминиевых сплавов, слегка меняется с температурой
Коэффициент теплового расширения	~23–24 µм/м·К	Сопоставим с другими алюминиевыми сплавами; при проектировании необходимо учитывать разницу расширения с другими материалами

Относительно высокая теплопроводность по сравнению со сталями делает 2618 полезным там, где важен теплоотвод, хотя он уступает алюминиевым сплавам с высокой теплопроводностью. Плотность и тепловое расширение сплава типичны для алюминия, но должны учитываться при сопряжении с разнородными материалами или при проектировании с жёсткими тепловыми допусками. Диапазон плавления и солидуса определяет технологические окна для ковки и термической обработки и диктует безопасные температуры обработки.

Формы изделий

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния обработки	Примечания
Лист	0.5–6 mm	Тонкие листы достигают близких к пиковым свойств благодаря соответствующим состояниям	O, T4, T6	Используется там, где нужны умеренная формуемость и высокое отношение прочности к массе
Плита	6–100+ mm	Толстые сечения могут иметь недостаточное старение и требуют более длительного старения	T6, T61, T651	Тяжёлые плиты применяются для конструкционных деталей и поковок
Экструзия	Сложные профили большого сечения	Свойства при экструзии зависят от охлаждения и последующего старения	O, T6 (после старения)	Экструзия выгодно сочетается с контролем зерна и отпуском после формования
Труба	Тонкостенная и толстостенная труба	Прочность зависит от способа формования и последующей термообработки	O, T6	Применяется в конструкциях и трубопроводах с высокими нагрузками
Пруток/круг	Диаметры до крупных размеров	Прутки хорошо обрабатываются в состоянии O, имеют высокую прочность после старения	O, T6, T61	Распространены для токарных и фрезерных авиационных деталей

Технологический процесс (ливка, экструзия, прокатка, ковка) существенно влияет на микроструктуру, распределение выделений и поле остаточных напряжений. Для толстых сечений необходим тщательный режим закалки и старения для минимизации зон внутреннего размягчения и обеспечения равномерных механических свойств; для критичных авиационных компонентов стандартными операциями являются правка и снятие напряжений (T651) для контроля деформаций.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	2618	США	Основное обозначение Американской ассоциации алюминия
EN AW	AlCu2.5Mg (прибл.)	Европа	Приближенный химический аналог, не точное совпадение
JIS	A2618 (прибл.)	Япония	Местные обозначения варьируются; уточняйте в национальных стандартах
GB/T	2A61	Китай	Распространённый отечественный аналог по китайским стандартам

Точные «один к одному» соответствия условны, поскольку региональные спецификации регулируют пределы примесей, допустимые микролегирования и методы механических испытаний. При замене всегда сверяйте требования к механическим свойствам и режимы термообработки, а не полагайтесь только на химическую эквивалентность. Следовые элементы и микроалюминирование (особенно содержание Ni) в вариантах 2618 могут существенно влиять на поведение при повышенных температурах и усталостную прочность.

Коррозионная стойкость

В атмосферных условиях 2618 менее коррозионностойкая, чем сплавы серий 5xxx (Mg) и 6xxx (Mg+Si) из-за относительно высокого содержания меди; богатые меди фазы и интерметаллиды создают локальные катодные участки, способствующие гальванической коррозии. При нейтральных или слабокоррозионных средах с применением защитных покрытий или анодирования возможно приемлемое время эксплуатации, однако незащищённое воздействие агрессивных атмосфер, как правило, избегается.

В морских или средах с хлорид-ионной нагрузкой 2618 подвержена точечной и межзеренной коррозии при отсутствии надлежащей защиты; локализованная коррозия под действием хлоридов — распространённый вид отказа. Склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением выше, чем у многих Al-Mg сплавов, особенно при растяжении и воздействии агрессивной среды; конструкция должна минимизировать трёхосные напряжения и предусматривать защитные покрытия, катодную защиту или жертвенные аноды.

Гальванические взаимодействия с более благородными металлами (например, нержавеющей сталью или медью) способны ускорять локальную коррозию 2618, поэтому рекомендуются диэлектрическая изоляция или совместимые крепёжные элементы. По сравнению с семействами 1xxx/3xxx 2618 жертвует коррозионной стойкостью ради прочности и способности работать при повышенных температурах, поэтому в долгосрочных приложениях часто применяют стратегии антикоррозионной защиты (покрытия, ингибиторы, контролируемая среда).

Свойства при обработке

Свариваемость

Сварка 2618 затруднена из-за высокого содержания меди и упрочняющего эффекта старения, что приводит к размягчению зоны термического влияния и повышенной склонности к горячим трещинам. Дуговая сварка (TIG/MIG) возможна для некритичных соединений при строгом контроле подогрева, подборе присадочных материалов и последующей термообработке; обычно рекомендуются присадки на основе Al-Cu-Mg или систем Al-Cu-Ni для достижения прочности и снижения риска трещин. Для критичных авиационных деталей сварку обычно избегают, отдавая предпочтение механическому креплению или клеевым соединениям, поскольку восстановление свойств после сварки сложно в крупных сборках.

Обрабатываемость

Сплав 2618 в отожженном состоянии достаточно хорошо обтачивается обычным твердосплавным инструментом; состояния с максимальным упрочнением тверже и более абразивны из-за выделений. Обычно применяют жёсткий инструмент с положительным углом резания и охлаждение для контроля температуры резания; скорости резания снижают по сравнению с легкоплавкими алюминиевыми сплавами, а покрытия инструмента, уменьшающие прилипание стружки, полезны. Стружка чаще всего формируется сплошной и пластичной; агрессивная подача и острый инструмент уменьшают наклёп перед резцом.

Формуемость

Формование предпочтительно выполнять в состоянии O (отожжённом), при котором радиусы изгиба могут быть малы, а остаточная упругость предсказуема; типичные минимальные радиусы изгиба составляют примерно 1–2× толщину материала в зависимости от инструмента и толщины стенки. Холодное формование после упрочнения ограничено из-за снижения пластичности и высоких остаточных напряжений; при необходимости формования готовой геометрии рекомендуется схема – отжиг, формование, затем старение или формование в отожжённом с последующим старением. Для сложных форм обычно не применяют теплоформование или суперпластичность — для экстремальной формуемости предпочтительнее другие сплавы.

Поведение при термообработке

Как упрочняемый термической обработкой сплав серии 2xxx, 2618 реагирует на режимы растворения, закалки и контролируемого искусственного старения для достижения высокой прочности. Растворяющее отжиг обычно проводят при температуре около 510–535 °C для растворения фазы Al2Cu с последующей быстрой закалкой для сохранения пересыщенного твердого раствора. Процессы искусственного старения обычно включают промежуточные температуры (например, 160–190 °C) в течение нескольких часов для выделения мелких фаз θ′ и близких, что обеспечивает максимальную прочность при сохранении ударной вязкости.

Переходы состояний T зависят от конкретной обработки: T4 означает растворение с естественным старением, T6 – растворение с искусственным старением до пикового упрочнения, T61/T651 – стабилизацию и снятие напряжений для ограничения остаточных напряжений или влияния предварительного деформирования. Пересыщение приводит к крупным выделениям, снижающим прочность, но повышающим вязкость и коррозионную стойкость; контролируемое пересыщение иногда применяется для повышения сопротивления коррозионному растрескиванию и уменьшения чувствительности к режимам закалки.

Работа при высоких температурах

Сплав 2618 демонстрирует превосходное сохранение прочности при повышенных температурах в сравнении с распространёнными сплавами 6xxx за счёт добавок никеля и меди, стабилизирующих выделения. Полезное сохранение статической прочности возможно в диапазоне примерно 150–250 °C в зависимости от состояния и содержания Ni; выше этого диапазона ускоряется рост выделений и размягчение, а долговременная ползучесть становится критичным фактором проектирования. Окисление не является основной причиной отказа алюминия при этих температурах на воздухе, однако возможна потеря механических свойств и поверхностное шелушение в агрессивных средах.

Зоны термического влияния около сварных соединений теряют прочность из-за растворения и укрупнения упрочняющих фаз, а восстановление и размягчение могут наступать при относительно невысоких температурах. Для эксплуатации при температурах выше ~200–250 °C проектировщикам рекомендуется проводить проверку коротко- и длительной ползучести и рассматривать специальные сплавы с улучшенной стабильностью при высоких температурах, если требуется постоянная работа в таких условиях.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Почему выбирают 2618
Автомобильная	Поршни высокой производительности, шатунные палки	Высокая статическая и температурная прочность; усталостная стойкость
Судостроение	Конструкционные кронштейны и крепления (с защитой)	Высокое отношение прочности к массе при наличии антикоррозионных покрытий
Авиационная	Фитинги, втулки, детали шасси	Высокая прочность, усталостная стойкость, размерная стабильность после старения
Электроника	Рассеиватели тепла и конструктивные опоры	Хорошая теплопроводность с повышенной механической прочностью

Хотя 2618 не является универсальным листовым сплавом, его сочетание высокой прочности и относительно хороших тепловых свойств делает его привлекательным для компонентов, где ключевыми факторами проектирования являются масса, прочность при повышенных температурах и усталостная долговечность. Для обеспечения длительной службы на практике обычно применяют защитные поверхностные обработки и продуманные методы соединения.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 2618, когда проект требует высокой статической прочности и сохранения механических свойств при повышенных температурах, а устойчивость к усталости важнее, чем внутренняя коррозионная стойкость или легкость сварки. Используйте отожжённое состояние 2618 для формовки и механической обработки, а для достижения размерной стабильности и пиковых свойств – контролируемое старение или стабилизацию.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (например, 1100), сплав 2618 обменяет электро- и тепло- проводимость, а также превосходную обрабатываемость на значительно более высокую прочность и усталостные характеристики. По сравнению с наклёпными сплавами, такими как 3003 или 5052, 2618 обеспечивает существенно более высокую прочность, но обычно имеет худшую коррозионную стойкость и более сложные условия для сварки; поэтому выбирайте 2618 для конструкционных деталей с высокими нагрузками, а не для общих листовых деталей. По сравнению с распространёнными термически упрочняемыми сплавами, такими как 6061/6063, 2618 часто обладает лучшей прочностью при повышенных температурах и усталостной долговечностью; однако 6061 обеспечивает лучшую коррозионную стойкость и свариваемость — используйте 2618, когда решающим фактором является механическая прочность при высоких температурах.

Заключение

Сплав 2618 остаётся специализированным высокопрочным алюминиевым материалом, в котором достигаются упрочнение на основе меди, поддающееся термообработке, и высокая работоспособность при повышенных температурах, несмотря на снижение коррозионной стойкости и свариваемости. При тщательной обработке, выборе степени упрочнения и защите поверхности 2618 обеспечивает привлекательное сочетание прочности, сопротивления усталости и тепловых характеристик для ответственных применений в авиационной, автомобильной и высокопрочной конструкционной технике.